高径比

吸附塔的结构参数

高径比是吸附塔重要的结构参数，尤其是对变压吸附装置更是如此，通常人们以此值设计出相应规格的吸附塔。吸附塔高径比是指吸附塔高度与内径的比值，根据空塔气速和吸附剂量计算得出。

简介

目前，我国每年因采煤向空气中排放大量的煤层气，同时由于我国煤层气有着“三高一低”的特点，很难像美国、澳大利亚那样大规模的采用地面开发的方式，而主要采用井下抽放的方式进行，致使我国煤矿抽放的煤层气浓度普遍较低。2008年煤层气抽采量约58亿立方米，而井下抽放量近53亿立方米，但井下抽放的甲烷浓度在20%～65%。对于低浓度煤层气(甲烷浓度<30%) ，出于安全考虑，通常被禁止直接利用，致使煤矿区抽采的煤层气利用率非常低，目前国内低浓度煤层气主要采用焚烧销毁或者放散的办法处理。

这种处理方式不仅浪费了大量的优质能源，而且造成了温室气体的排放，对大气环境造成极大的破坏。目前国内外对低浓度煤层气的变压吸附分离研究工作主要针对不含氧煤层气的分离，即采用PSA(pressure swing adsorption) 技术对模拟煤层气的CH4/N2混合气体进行分离研究。因此现有的研究结果没有考虑低浓度煤层气中氧气成分在分离过程中的安全隐患，不能为低浓度含氧煤层气的分离富集工艺的设计提供依据。

高径比实验

安全性分析

如果采用常规的变压吸附方法，使用单一吸附剂富集低浓度含氧煤层气，在吸附过程中甲烷浓度会进入爆炸极限，存在安全隐患。

提出一种安全分离富集低浓度含氧煤层气的设想———等比例变压吸附法，采用活性炭和碳分子筛作为混合吸附剂，使低浓度含氧煤层气中甲烷和氧气能按比例同时被吸附，确保整个吸附富集过程中吸附塔内、排放气以及解吸气中的甲烷和氧气浓度都处于安全范围内，实现低浓度含氧煤层气的安全有效吸附富集。目前已通过大量实验研究证明，采用混合吸附剂吸附富集低浓度含氧煤层气完全可以在保证解吸气、排放气中甲烷浓度和氧气浓度不进入爆炸范围的前提下实现将解吸气(即产品气)中甲烷浓度富集到30%以上。

后期需要进一步揭示吸附过程中各组分浓度分布随时间的变化规律，分析吸附过程中吸附塔内部的安全性，从而验证采用等比例吸附法安全分离富集低浓度含氧煤层气的可行性。

美国学者Hhghes和Raybould于1960年提出的Coward爆炸三角形描述的是不同浓度甲烷与空气或者富氮空气的混合物的爆炸危险性，然而在低浓度含氧煤层气变压吸附富集过程中，甲烷、氮气和氧气的浓度在不停的变化，会发生甲烷与富氧空气混合的现象，这种混合气体的爆炸危险性无法在Coward爆炸三角形中体现出来，因此必须将Coward爆炸三角形扩展到全浓度范围，才能用来分析低浓度含氧煤层气富集过程的安全性。

等比例变压吸附法分离富集低浓度含氧煤层气的安全性通过保证解吸气、排放气不具有爆炸性实现，因此必须保证解吸气和排放气中甲烷、氧气浓度不进入爆炸区。

当解吸气甲烷浓度为30%时，根据爆炸上限线方程算出的氧气上限浓度为24.76%，也就是说只要甲烷浓度不低于30%，而氧气浓度不超过24.76%，解吸气就不具有爆炸性。而对于排放气而言，只要保证排放气中氧气浓度低于12%，则不会发生爆炸。

实验装置

以甲烷与空气的混合气模拟低浓度含氧煤层气，实验前将配好的模拟低浓度含氧煤层气储存在气囊中，通过实验装置将煤层气中的甲烷浓度富集到30%以上，以实现煤层气的有效利用。

每个吸附塔都要经历充压、吸附、均压降、抽真空、清洗、均压升6个步骤，反吹气混入解吸气。

实验结果及讨论

高径比是吸附塔重要的结构参数，尤其是对变压吸附装置更是如此，通常人们以此值设计出相应规格的吸附塔。吸附塔高径比是指吸附塔高度与内径的比值，根据空塔气速和吸附剂量计算得出。对于等比例变压吸附法分离富集低浓度含氧煤层气过程，高径比的改变会影响解吸气和排放气中甲烷和氧气浓度，从而影响吸附过程的安全性。保持吸附剂质量不变，分析对比了高径比分别为13.3，7.8，3.7，解吸气和排放气中甲烷、氧气的浓度分布规律，以及高径比对反吹时间的影响，揭示高径比对吸附分离效果以及安全性的影响规律，为吸附塔设计提供参考。

实验中分别采用了甲烷浓度为20%，16%的2种模拟煤层气作为原料气。

(1)当采用高径比小的吸附塔时，由于边壁效应、沟流现象、死空间体积增大、塔内气体停留时间短吸附不充分等原因，会降低产品气的浓度。在吸附剂质量保持不变时，高径比越大越有利于提高产品气浓度，同时还能降低排放气和解吸气的爆炸性，保证了低浓度含氧煤层气安全富集的可行性。但增大高径比的同时要综合考虑造安装费用和使用维修费用，对于大型吸附装置应尽量选择高径比大的吸附塔，同时要相应的增加吸附阶段运行时间，使传质区靠近出口，充分利用吸附剂。

(2)如果高径比过大，床层的穿透时间将会延长，吸附时间过长，单位时间内吸附循环数减少，会降低吸附剂的利用率; 同时床层阻力也会增大，会增加压缩机能耗; 而产品气的浓度增加却变得平缓，因此存在最佳高径比，需要通过实验确定。

(3)在循环步骤中设置反吹过程有利于降低排放气中甲烷和解吸气中氧气浓度，而解吸气中甲烷浓度则会随反吹时间的增加而降低。高径比的增加会进一步降低排放气中甲烷浓度和解吸气中的氧气浓度，同时还能增加产品气即解吸气中的甲烷浓度。因此为了降低解吸气中氧气浓度，确保解吸气的安全性，可以适当地对吸附塔进行反吹，同时采用高径比大的吸附塔。

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